管殼式換熱器配管設(shè)計

王洪波

（勝幫科技股份有限公司，上海 201210）

換熱器是進(jìn)行熱交換的通用工藝設(shè)備，廣泛應(yīng)用于動力、石油化工、冶金等工業(yè)部門中。特別是在石油煉制和化學(xué)加工裝置中占有重要地位。據(jù)統(tǒng)計，僅在煉油廠中換熱設(shè)備的投資約占全部工藝設(shè)備總投資的35%~40%。面對各種新型、高效和緊湊式換熱器的迅速發(fā)展和強(qiáng)有力挑戰(zhàn)，管殼式換熱器靠其自身的技術(shù)優(yōu)勢，依然占據(jù)換熱器市場的主導(dǎo)地位。

1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)及分類

1.1 管殼式換熱器組成結(jié)構(gòu)

管殼式換熱器由殼體、管束、折流板和管箱等部件組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式用3個字母依次表示前端結(jié)構(gòu)、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）。前端結(jié)構(gòu)主要為管箱端，常見類型有平蓋管箱（A）、封頭管箱（B）；殼體部分常見型式有單程殼體（E）、釜式重沸器殼體（K）、穿流殼體（X）；后端結(jié)構(gòu)常見型式有固定管板（M）、鉤圈式浮頭（S）、U形管束（U）。

1.2 管殼式換熱器分類

管殼式換熱器按其結(jié)構(gòu)不同一般可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、釜式、填料函式5種。

2 管殼式換熱器設(shè)備布置

2.1 換熱器布置位置

（1）與塔相關(guān)的換熱器，例如塔頂冷卻器、塔底再沸器等，宜按工藝流程順序布置在塔的附近。

（2）換熱器宜布置在地面上。如裝置換熱器數(shù)量較多，為減少項(xiàng)目占地，可考慮布置在構(gòu)架內(nèi)，以換熱器進(jìn)出口管線減少低點(diǎn)原則采用分層布置。對于重質(zhì)油品或污染環(huán)境的物料，換熱器不宜布置在構(gòu)架上。

（3）與反應(yīng)器直接相關(guān)的立式換熱器，可布置在反應(yīng)器構(gòu)架內(nèi)，并應(yīng)有機(jī)動吊裝機(jī)具抽出管束的空間。

2.2 換熱器布置高度

布置在地面或者框架內(nèi)的換熱器基礎(chǔ)安裝高度由換熱器底部管線的管底標(biāo)高（或放凈閥末端）所需空間決定，一般要求管線的管底標(biāo)高不小于0.5m或放凈閥末端不小于0.15m。通常情況下臥式換熱器基礎(chǔ)高度可取0.8m，對于成組布置的換熱器，為裝置美觀及施工便利，常將基礎(chǔ)標(biāo)高差別不大的換熱器基礎(chǔ)標(biāo)高取齊。

對于重疊布置的換熱器，一般要求最頂層換熱器中心高度宜不超過4.5m。

2.3 換熱器布置設(shè)備間距

換熱器兩側(cè)主要考慮閥門、儀表的操作檢修，為滿足操作空間要求，兩臺并列布置換熱器殼體法蘭之間的間距宜大于0.8m，當(dāng)換熱器兩側(cè)布置管道、閥門時，也應(yīng)確保有最小0.8m的檢修通道。

2.4 換熱器布置防火間距

換熱器布置時還應(yīng)充分考慮周邊設(shè)備的防火屬性，具體防火要求可參考石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)（GB50160），尤其應(yīng)該注意以下2點(diǎn)：

（1）對于超自燃點(diǎn)的換熱器與低于自燃點(diǎn)換熱器布置在一起時，應(yīng)保持有4.5m的間距。

（2）超自燃點(diǎn)的換熱器或操作溫度超過250℃的換熱器的上方和下方，如無不燃燒材料的隔板隔離保護(hù)，不應(yīng)布置其他可燃介質(zhì)設(shè)備。

2.5 換熱器檢修空間及抽芯設(shè)計

浮頭式換熱器布置在地面上時，應(yīng)符合下列要求：

（1）浮頭的兩側(cè)宜有寬度不小于0.8m的空地，浮頭端前方宜有寬度不小于1.5m的空地；

（2）管箱的兩側(cè)宜有寬度不小于0.8m的空地，管箱端前方應(yīng)有比管束長度長1.5m的空地。

浮頭式換熱器在構(gòu)架上布置時，應(yīng)符合下列要求：

（1）浮頭的兩側(cè)宜有寬度不小于0.8m的空地，浮頭端前方平臺凈距不宜小于1m；

（2）管箱的兩側(cè)宜有寬度不小于0.8m的空地，管箱端前方平臺凈距不宜小于1m，并應(yīng)有管束抽出的空間。

換熱器檢修抽芯一般是指對浮頭式熱交換器和U型管式熱交換器而言。換熱器的管箱拆卸及管束抽出，一般使用吊車或者吊車梁，因此在換熱器上部要確保有所需空間。

2.6 換熱器構(gòu)架內(nèi)分層布置實(shí)例

某項(xiàng)目冷換構(gòu)架換熱器分層布置如圖1、圖2所示，冷換構(gòu)架常采用3層或4層結(jié)構(gòu)布置，地面層布置跟塔器相關(guān)聯(lián)的超自燃點(diǎn)換熱器，二層布置普通換熱器及中間罐，三層布置跟空冷器相關(guān)的水冷換熱器及中間罐，頂層布置空冷器。構(gòu)架內(nèi)所有換熱器的固定端設(shè)置在靠馬路一側(cè)，利用馬路側(cè)空地進(jìn)行設(shè)備抽芯。地面采用重型鋪砌，用于吊裝構(gòu)架頂部空冷器和換熱器抽芯。

圖1 換熱器構(gòu)架內(nèi)布置平面圖

圖2 換熱器構(gòu)架內(nèi)布置立面圖

對冷換構(gòu)架內(nèi)換熱器的布置應(yīng)充分考慮構(gòu)架層高，當(dāng)某層有中間罐時，應(yīng)保證中間罐的頂部平臺距離構(gòu)架梁底有2.2m的凈空，常采用6.0m作為每層的層高。

該項(xiàng)目冷換構(gòu)架布置的特點(diǎn)：

（1）換熱器分層布置，合理利用空間，減少占地。

（2）超自燃點(diǎn)換熱器與低于自燃點(diǎn)換熱器分層布置，有效減小構(gòu)架橫向占地。

（3）利用構(gòu)架頂層布置空冷器，充分利用構(gòu)架上部空間。

2.7 換熱器地面布置實(shí)例

某項(xiàng)目與氨合成塔相關(guān)聯(lián)的10臺換熱器，按工藝流程順序依次布置在氨合成塔的一側(cè)。利用北側(cè)空地實(shí)現(xiàn)對換熱器抽芯和抽殼的檢修需求，換熱器布置如圖3所示。對于氨合成工段的換熱器布置還需要注意管線低點(diǎn)的問題，從實(shí)際開車項(xiàng)目分析，合成氣出冷交換器管線開始出現(xiàn)少量的液氨，因此從冷交換熱器到二級氨冷器相關(guān)管線不應(yīng)出現(xiàn)低點(diǎn)，對于冷交換熱器、一級氨冷器、二級氨冷器三臺換熱器的布置可采用圖4的布置，同時為降低三臺換熱器的基礎(chǔ)高度，應(yīng)將兩臺氨冷器的工藝氣進(jìn)出口管口調(diào)整為切線進(jìn)出。對于切線進(jìn)出的氨冷器，應(yīng)保證切線出口最低點(diǎn)低于換熱器換熱管，以防止液氨冷凝液淹沒換熱管，使換熱管的有效使用面積減少而影響換熱效果。對于切線管口的的高度要求，如圖5所示。

圖3 換熱器地面布置平面圖

圖4 冷交換熱器至二級氨冷器設(shè)備布置

圖5 切線管口開口高度要求

氨合成工段換熱器布置的特點(diǎn)：

（1）冷交換熱器到二級氨冷器布置時應(yīng)保證管道無低點(diǎn)。

（2）換熱器抽芯和抽殼檢修空間在同一側(cè)，現(xiàn)場檢修維護(hù)方便。

2.8 塔底再沸器的布置實(shí)例

某項(xiàng)目塔底再沸器與塔的設(shè)備布置如圖6、圖7所示，塔底再沸器為立式結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)支撐，布置在塔附近。再沸器支撐層標(biāo)高與塔底封頭標(biāo)高保持一致，保證再沸器和塔向上膨脹量的基準(zhǔn)點(diǎn)在同一水平面。

圖6 塔與再沸器平面布置圖

圖7 塔與再沸器立面布置圖

對于此類再沸器與塔管口通過管道直連的布置形式，應(yīng)充分考慮再沸器的柔性設(shè)計，應(yīng)保證熱膨脹力作用下再沸器足夠的滑動性，可使用聚四氟乙烯滑動墊板，同時在滑動的方向應(yīng)將螺栓孔改為長圓孔。

2.9 塔頂冷凝器的布置實(shí)例

某變換裝置汽提塔塔頂冷凝器直接安裝在汽提塔頂部，汽提塔與塔頂冷凝器的布置見圖8。變換冷凝液中含有NH3、H2S、CO2、Cl-等，NH3與Cl-反應(yīng)形成NH4Cl晶體，產(chǎn)生結(jié)垢腐蝕，Cl-和H2S反應(yīng)生成HCl、FeS，而HCl會產(chǎn)生酸性腐蝕。這樣直連的布置方式可以有效縮小變換冷凝液腐蝕的范圍，避免塔頂出口管線的腐蝕。

圖8 塔與塔頂冷凝器立面布置圖

3 管殼式換熱器配管設(shè)計

3.1 配管設(shè)計一般要求

（1）管道布置不應(yīng)妨礙管束或管殼的抽出、管箱端或封頭端的拆卸，并應(yīng)留出空間，便于操作和檢修。

（2）換熱器周圍管道上的閥門、儀表和調(diào)節(jié)閥組應(yīng)靠近換熱器的操作通道布置。

（3）換熱器并排布置時，冷卻介質(zhì)和閥門宜按相同方式布置；換熱器兩側(cè)操作通道的寬度不應(yīng)小于0.8m。

（4）當(dāng)換熱器封頭端或管箱端設(shè)置拆卸吊柱時，管道布置應(yīng)避開吊柱的活動范圍。

（5）管道不宜布置在換熱器軸線的正上方。

（6）換熱器周圍的管道標(biāo)高應(yīng)與管廊或相鄰設(shè)備的管道相協(xié)調(diào)。

（7）多臺并聯(lián)操作的兩相流換熱器，進(jìn)口管道無控制閥時，管道應(yīng)對稱布置。

（8）與換熱器相接的易凝介質(zhì)管道或含有固體介質(zhì)管道的旁路，旁路上的切斷閥應(yīng)布置在水平管道上，并減少管道的積液。

3.2 臥式管殼式換熱器配管設(shè)計

某項(xiàng)目有一臺臥式浮頭式換熱器，對于臥式浮頭式換熱器，在配管設(shè)計過程中應(yīng)考慮管箱端和浮頭端法蘭的拆卸空間，同時管箱端應(yīng)留抽芯空間。該換熱器進(jìn)出口流程如圖9所示。換熱器管程側(cè)設(shè)有旁路閥門，殼程側(cè)設(shè)有旁路調(diào)節(jié)閥。

圖9 浮頭式換熱器進(jìn)出口流程圖

對此換熱器進(jìn)行配管研究時，應(yīng)盡量將管程側(cè)的管線和殼程側(cè)的管道分別放置在換熱器的兩側(cè)，從而避免旁路管線在換熱器上方及底部來回穿行，同時配管設(shè)計時還需滿足相關(guān)操作及檢修空間要求。該換熱器配管研究平面圖如圖10所示。

圖10 浮頭式換熱器配管研究圖

對于成組布置在構(gòu)架內(nèi)或地面上的臥式換熱器，可參照此換熱器的配管方式進(jìn)行配管，這樣可達(dá)到換熱器配管方式的統(tǒng)一性、整體性、美觀性。

3.3 立式管殼式換熱器配管要求

立式管殼式換熱器在配管研究時需特別注意管程的程數(shù)及折流板的數(shù)量。當(dāng)管程為單管程時，根據(jù)折流板的奇偶數(shù)，分為兩種情況。

基地深坑到處都是人，我們穿梭在人群中。克里斯蒂娜說會在文身店與艾爾、威爾見面，然后就拖著我去了服裝店。

（1）折流板為奇數(shù)時，殼程管口在同側(cè)，如圖11（a）所示；

（2）折流板為偶數(shù)時，殼程管口在對側(cè)，如圖11（b）所示。當(dāng)管程為雙管程時，殼程管口在同側(cè)，如圖11（c）所示。

某開工冷卻器：單管程，折流板數(shù)目為偶數(shù)。根據(jù)立式換熱器的配管要求，殼程側(cè)進(jìn)出管口應(yīng)該位于對側(cè)，實(shí)際項(xiàng)目中管線配管走向如圖12所示。

圖12 開工冷卻器配管走向

3.4 立式U形管換熱器工程實(shí)例

某項(xiàng)目一臺立式U形管換熱器，型式代號為BXU，殼程介質(zhì)流向雙進(jìn)雙出，管程為單管程，工藝流程如圖13所示。

圖13 BXU換熱器進(jìn)出口流程圖

BXU型換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：殼程流體通過分布板對穿通過殼體，管程流體通過分程隔板實(shí)現(xiàn)進(jìn)出。此BXU型換熱器設(shè)備裝配圖如圖14所示，管程換熱管布，管如圖15所示。

圖14 BXU換熱器設(shè)備裝配圖

圖15 BXU換熱器換熱管布管圖

通過對BXU型換熱器的結(jié)構(gòu)分析可以得出殼程分布板的布置位置，決定了殼程進(jìn)出口的方向；管程U型換熱管布管圖決定了管程進(jìn)出口方向。基于以上兩個因素得出該換熱器管程與殼程的進(jìn)出管口應(yīng)該位于同側(cè)，在配管設(shè)計時應(yīng)引起注意，該設(shè)備的管口方位如圖16所示。同時由于殼程為雙進(jìn)雙出結(jié)構(gòu)，為保證兩路進(jìn)氣及出氣沿程阻力降相當(dāng)，從N3b進(jìn)N4b出的管道和從N3a進(jìn)N4a出的管道應(yīng)保證管線對稱布置。

圖16 BXU換熱器管口方位圖

圖17 BXU換熱器管道走向圖

3.5 管殼式廢熱鍋爐工程實(shí)例

廢熱鍋爐是一種利用生產(chǎn)過程中的高溫物流作為熱源來加熱生產(chǎn)蒸汽的換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，廢熱鍋爐可分為管殼式、煙道式、雙套管式廢熱鍋爐。

某項(xiàng)目有一臺管殼式廢熱鍋爐，設(shè)備外形如圖18所示，對于該型式換熱器在設(shè)備布置時應(yīng)注意U形管是否有抽芯要求，另外對于滑動端應(yīng)考慮設(shè)置聚四氟乙烯墊板減小設(shè)備熱脹時對基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平推力。

圖18 管殼式廢熱鍋爐外形圖

4 結(jié)束語

對于石油化工裝置中常見的管殼式換熱設(shè)備，在進(jìn)行設(shè)備布置時應(yīng)充分遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范，使換熱器布置滿足安全性、可靠性要求。在進(jìn)行換熱器配管設(shè)計時，應(yīng)充分了解換熱器的結(jié)構(gòu)型式，換熱器的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了設(shè)備操作檢修空間、管殼程管口方位等。通過實(shí)際工程案例的分析，總結(jié)出如下的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)：

1）換熱器的布置宜充分考慮操作檢修所需空間。

2）臥式換熱器管殼程管線應(yīng)盡量配置在換熱器兩側(cè)。

3）立式換熱器管殼程管口方位由折流板和換熱管布管方式?jīng)Q定，配管時不應(yīng)隨意調(diào)整改動。